知物由學 | 一種新型自研白盒金鑰演算法，讓攻擊者無跡可尋

隨著資訊化的發展，資料安全顯得越來越重要，因此對資料的儲存和傳輸進行加密操作逐漸進入大眾視線。資料加密的過程中必然涉及由一系列引數組成的金鑰，而金鑰正是攻擊者所垂涎的目標，這是由於相比於破解加密演算法，盜取密匙要來得更為容易，也是直通資料“倉庫”的捷徑之一。

因此，金鑰安全稱之為“資料安全的基礎”也不為過，尤其是在不可信的移動端環境中，常見的有獲取了最高許可權的 Android、iOS 裝置。 本文基於移動端金鑰使用和儲存的痛點，介紹了一種自研的白盒加密方案，為保障移動應用內敏感資訊、本地資料和傳輸資料的安全提供設計與應用思路。

01 金鑰安全需求

當前，移動端常見的幾種不安全的金鑰儲存方式：

1. 直接硬編碼在程式碼中，很容易被逆向分析；

2. 儲存在私有目錄的檔案中，有最高許可權的終端可以匯出檢視；

3. 將金鑰分段，分別儲存在程式碼和檔案中，最終在記憶體中拼接起來，由於記憶體中還是出現了完整的原始金鑰，所以攻擊者只需要花點時間，也可以逆向分析出來；

4. 將金鑰儲存在動態庫中，同時加解密也都在動態庫中進行，這在一定程度上增大了分析難度，但是有經驗的攻擊者並不難將其逆向出來；

5. 用另外一個金鑰B加密這個金鑰A，將金鑰A的密文儲存在檔案或程式碼中，在實際使用時進行解密，雖然增加了靜態分析難度，但可以使用動態除錯的方法，對加解密方法進行插樁，即 Hook，也可以分析出金鑰 A 。

一般而言，將密碼軟體的執行對攻擊者完全可見的環境稱為白盒攻擊環境。有最高許可權的移動端環境就是白盒攻擊環境。在白盒攻擊環境中，攻擊者透過觀察或者執行密碼軟體，可以輕而易舉地獲得金鑰資訊。

為了抵禦此類攻擊，白盒密碼孕育而生。白盒密碼是針對白盒攻擊環境提出來的，其目的是為了在白盒攻擊環境中，對金鑰進行隱藏，有效地防止攻擊者獲得金鑰資訊。

02 密碼體系

金鑰分為對稱金鑰和非對稱金鑰，而密碼體系分為對稱加密演算法和非對稱加密演算法。

對稱加密演算法中的對稱金鑰是指加密和解密使用相同的金鑰，常用的演算法有 DES、AES 和 SM4 等。

非對稱金鑰又稱為公鑰加密，加密和解密分別使用不同的金鑰，一般加密使用的金鑰稱為公鑰，可以對外公開，而解密使用的金鑰稱為私鑰，不能公開。常用的演算法有 RSA、ECC。

03 現有白盒方案

目前，在市場上被普遍使用的白盒方案為 Chow 等人於2003年提出的白盒 AES 演算法。該演算法將金鑰隱藏在查詢表中，密碼演算法的執行過程則透過查詢表格來實現，攻擊者根據查詢表無法得出金鑰資訊。不過，與標準AES演算法相比，該白盒方案也存在一些不足：

1. 效能比標準 AES 演算法慢近10倍。

2. 儲存空間上會多出一個查詢表，這個查詢表為752KB，如果同時進行加密和解密，則會多出兩個查詢表，即加密和解密各有一個查詢表，非常佔用空間。

3. 一個金鑰繫結一個查詢表，如果要更新金鑰，則需要更新查詢表，而查詢表巨大的體積，容易致使更新不便。

04 自研白盒方案

在深入瞭解密碼演算法原理之後，易盾對不同的演算法分別進行白盒化，已經實現了白盒化的密碼演算法有 AES、RSA、SM4 和 SM2，未來還將支援更多的通用密碼演算法。

具體而言，針對 AES 和 SM4 演算法，我們借鑑 Chow 等人的白盒思路，將金鑰隱藏在查詢表中，並在此基礎上進行效能和體積最佳化；針對 RSA 和 SM2 演算法，我們透過自研方案，將金鑰進行拆分，一部分金鑰動態生成，而且在儲存時和記憶體中均不會出現完整金鑰。

為了解決上述查詢表體積過大、更新金鑰不便的問題，易盾提出動態白盒方案，減小查詢表體積，金鑰與查詢表不進行繫結，可以很方便地進行金鑰更新。與現行白盒演算法相比，新型自研演算法在功能性和安全性方面更為優越，主要表現為以下幾點：

1. 對靜態白盒進行補充，形成動態白盒。

靜態白盒是指原始金鑰經過白盒密碼技術處理得到查詢表，再與白盒演算法相結合，形成白盒庫。白盒庫具備加解密功能，並且能在白盒攻擊環境下有效地保護原始金鑰的安全。靜態白盒更新金鑰，需要重新生成查詢表。

動態白盒是指白盒庫生成後就不需要再更新，原始金鑰經過動態白盒密碼技術處理得到白盒金鑰，白盒金鑰與白盒庫相結合進行正常的加解密。白盒金鑰是安全的，攻擊者不能透過分析白盒金鑰得到任何關於原始金鑰的資訊。動態白盒在更新時，只需要重新生成白盒金鑰即可。

2. 對主流演算法進行了白盒化，包括 AES、SM4、RSA 和 SM2，其中靜態白盒支援 AES 和 SM4，動態白盒全部支援。

3. 支援對白盒金鑰進行限制，比如金鑰只能加密，不能解密；只能簽名，不能解密等。

4. 對白盒演算法的效能和體積進行最佳化，其效果改善如下表所示：

靜態白盒：

動態白盒：

05 白盒應用場景

如何保護金鑰安全，一直是移動安全長期探討的關鍵問題之一。白盒金鑰保護適用於多種移動應用場景，包括：

1. 終端資料安全

字串加密：對程式碼中的字串進行普通加密，在實際執行時用白盒密碼去解密，避免攻擊者透過靜態分析字串輕易分析出業務邏輯，並在一定程度上增加攻擊者動態分析難度。

檔案加密：對檔案進行白盒密碼加密保護。

核心程式碼保護：對動態庫或其他檔案中的核心程式碼進行標準加密保護，在動態載入還原時，用白盒密碼解密。

2. 資料傳輸安全

在客戶端用白盒密碼加密需要傳輸的資料，在服務端用標準密碼進行解密；在服務端用標準密碼加密需要傳輸資料，在客戶端使用白盒密碼進行解密。

3. IOT

隨著物聯網產品的普及，其安全性受到了廣泛重視。針對低效能、低儲存空間的 IOT 裝置，白盒金鑰演算法也能滿足白盒加密需求，對需要更新的韌體進行白盒加密保護。

06 總結

移動端應用本身執行在一種白盒攻擊的環境中，應用可以被除錯、二次修改、dump 記憶體、抓包分析，應用執行時的金鑰和儲存在應用內的金鑰容易被逆向獲取。白盒密碼的作用就在於在白盒攻擊環境下保護金鑰，對金鑰進行加解密操作，阻止攻擊者利用計算能力暴力破解。

網易易盾自研白盒加密分為靜態白盒和動態白盒，不同業務可以選擇不同的白盒方案。該加密服務支援目前常用密碼演算法，涵蓋主流的 AES、SM4、RSA、SM2，並且其運算結果與標準演算法結果相同，助力業務無縫替換。在保障安全的同時，自研白盒演算法兼顧了效能和便攜性，可以滿足絕大多數的業務需求。（作者：易盾移動安全專家流風 ）